郑勉，郑光明，孙晓玲，李伟勤，陈涛

（西南石油大学电子信息工程学院，四川成都610500）

光发射机作为光纤通信系统重要组成部分之一，研究其构成、特点和性能具有重要作用。这里提出一种采用Multisim 9电路仿真软件对光发射机电路进行仿真的方法，该仿真方法可获得关键元件的实验数据资料，为光发射机电路设计提供指导和参考优化值。

图1 系光发射机组成框图Fig.1 Black diagram of Optical transmitter

1 光发射机及其各模块电路

光发射机是在发射端将电信号转换成适合于在光纤中传输的光信号。光源是光发射机的主要器件，但仅有光源是不能构成发射机的，光发射机还包括输入接口、激光二极管（LD）驱动电路、自动功率控制（APC）电路、自动温度控制（ATC）电路、慢启动与限流保护电路、光源与光纤的耦合等[1]，其组成框图如图1所示。

输入电路将输入的PCM脉冲信号进行整形，变换成NRZ/RZ码后通过驱动电路调制光源（直接调制）或送到光调制器调制光源，输出连续光波（外调制）。驱动电路给光源一个预偏置电流。为稳定输出的平均光功率和工作温度，通常设置一个自动功率控制及自动温度控制电路。光发射机中的报警电路是对光源寿命及工作状态进行监测与报警。LD的温控电路用于稳定平均功率和工作温度。

1.1 LD驱动电路

驱动电路将电信号转化成光信号，将要传输的电信号调制到光源的输出。LED的驱动电路比较简单，而在较高速率下采用LD驱动电路可能变得相当复杂。无论是LED还是LD，一般都需要在一定的注入电流下进行调制[2]，因此驱动电路应该能对光源同时提供偏置电流和随信号变化的调制电流。

常用的LD驱动电路可分为单管集电极和射级耦合2种驱动电路[3]。这里采用一种简单的，但可实际应用的射级耦合LD驱动电路，如图2所示。

图2 LD驱动电路原理图Fig.2 LD driving circuit schematic diagram

图2中，通过偏置电路，使LD的偏置电流在其阈值附近，晶体管VBG3构成一个恒流源，向LD提供调制电流，晶体管VBG1和VBG2构成对LD调制电流的开关电路，VBG2的基极加有固定的参考电压VBB，当输入为“0”码时，VBG1的基极电位比VBB低，因此VBG1截止而VBG2导通，是恒流源通过VBG2流过LD而发射出光脉冲；反之，当输入信号为“1”码时，VBG1的基极电位比VBB高，因此VBG1导通而VBG2截止，不发出光脉冲，如果在信号输入VBG1之前加一个反相器，则可以在LD上得到与电信号脉冲一致的光脉冲输出[4]。

1.2 自动功率控制（APC）电路

为了稳定激光器的输出功率，需要在发射机中具有自动功率控制（APC）电路，APC电路一般利用与LD封装在一起的PIN二极管检测LD后向输出的光信号，根据PIN输出的大小而自动改变对LD的偏置电流，使其输出功率保持恒定。可能引起激光输出功率变化的因素是芯片温度变化和激光器老化效应。

图3给出APC电路原理图，PIN二极管检测到的信号与直流参考电压进行比较后，送到集成运算放大器的反向输入端，另一方面再生信号电压通过调节R2后送到集成运算放大器的同相输入端，集成运算放大器和晶体管VQ1组成可自动调节的恒流源向LD提供直流偏置，偏流的大小可由直流参考电压的调整而进行预置。该APC电路可以保证在输入信号为“1”码时，激光器发出强度恒定的“1”码；而当输入信号为“0”码时，激光器工作在阈值附近。

图3 APC电路原理图Fig.3 Schematic diagram of APC circuit

1.3 自动温度控制（ATC）电路

导体激光器的输出特性受温度影响很大，当温度发生变化（包括环境温度变化和注入电流引起的温度变化）时，LD的P-I特性[5-7]和光谱特性都要发生变化，因此在光发射机中需要有自动温度控制电路，以保证激光器在恒定温度下工作。一般说来，在实用的半导体激光器封装中，都带有一个半导体致冷器和一只能够检测激光器芯片温度变化的热敏电阻，可采用图4的ATC电路实现对激光器工作温度的稳定。

图4 ATC电路原理图Fig.4 Schematic diagram of ATC circuit

激光器的热沉与致冷器的冷面靠在一起，图3中R1、R2、R3与激光器的热敏电阻Rt构成感温电桥，该电桥对角两端连接到运算放大器A的差动输入端，运算放大器A的输出端连接到半导体三极管VQ1的输入端，VQ1的发射级连接有致冷器。致冷器与LD、PIN和热敏电阻紧密放置在一起。

致冷器用来降低LD管芯的温度。致冷器是由特殊半导体制成的，当其通以直流电流时，则一端吸收致冷（称为冷端），另一端放热（称为热端）。半导体致冷器的致冷量大小与其通过的直流电流成正比关系。热敏电阻Rt测量LD管芯的温度。图4中选用负温度系数的热敏电阻，即热敏电阻Rt的阻值大小与所测量的温度成反比。热敏电阻的阻值计算公式为：

式中，R25为25℃的电阻值，α温度系数。

感温电桥的平衡条件是：R1Rt=R2R3，此时Va=Vb。即在平衡条件下，感温电桥对角两端电位相等。ATC电路在使用前，要先确定标准工作状态，其方法是：1）首先确定管芯工作温度，通常取为25℃；2）查知该温度下热敏电阻的阻值大小Rt；3）选取R1=R2，R3=Rt。当Va=Vb时，运算放大器A无差动信号输入，因而运算放大器A无输出电压，以致VQ1无足够射极电流Ie，所以25℃状态下致冷器不致冷。

标准工作状态确定后，实际使用时的控制过程是：当LD管芯温度超过25℃时，则热沉温度也随之上升超过25℃，导致电阻Rt减少，使电位Vb下降，以致运算放大器A的差动信号增大，使其输出电压升高，以致VQ1基极电流升高，从而射极电流增大，致冷器获得足够的致冷电流能够致冷，使热沉温度降低，LD管芯温度随之下降。

需指出的是：带致冷器的激光器组件将会被无致冷的组件所代替。因为激光器的设计与制造工艺已经非常成熟，而阈值电流可以降到几mA甚至更低。因此热源很小，再加上器件结构有利温度稳定，所以不用致冷。即使环境温度有变化，激光器也能有良好的工作状态。省去温控电路既可降低成本又可提高工作的可靠性，因而是未来发展方向。

1.4 慢启动与限流保护电路

完整的光发射机除了上述基本电路外，还应包括告警电路与保护电路。告警电路一般还包括无光告警、寿命告警和激光器温差告警。当信号中断、激光器失效或电路出现故障而造成光信号中断时，发射机的无光告警指示灯亮，同时送出告警信号。寿命告警由APC电路中偏置电流的增大来体现，随着激光器的老化，其阈值电流会升高，P-I曲线的斜率也会下降，这样在一定的调制电流下，为获得相同的输出功率，必须增大偏置电流，一般认为偏置电流Ib从最初的阈值Ith附近增大到约1.5Ith时，应该发出寿命告警，警告使用者，激光器已接近其使用寿命，应该更换新的激光器。如果激光器的温度超过正常工作温度±5℃，发射机应能给出温差过大警告，并关掉激光器的偏置电流以免激光器损坏，待检查故障，发射机正常后再重新手动开机。对于激光器的偏置电路，还应该具有慢启动功能和限流保护措施，慢启动电路可以避免突然对激光器加电而引起的冲击损坏，限流保护电路可以避免对激光器的偏置电流过大而引起的损坏。图5给出实现这两种功能的电路。

图5中的R2和C1组成一个低通滤波器，在接通电源后，偏流缓慢启动，经过一定的时间延迟后，电路才达到稳定状态，对激光器提供设定的偏置电流。晶体管VBG2起到对偏置电流的限制作用，当Ib较大时，电阻R2上的压降使得VBG2导通从而对Ib进行限制。

图5 慢启动与限流保护电路原理图Fig.5 Schematic diagram of laser slow starter and current limiting protection circuit

2 光发射机各组成电路仿真

2.1 LD驱动电路

由于Multisim 9电路仿真软件中没有LD器件，因而在建立仿真电路模型时应找一个与LD器件内阻等效的电阻来代替。图6中的LD器件的阈值电流为90 mA，预偏置电流Ib=80 mA（由预偏置电路供给）。VBG3，R1和R2所组成的恒流源在仿真中直接用电流为20 mA的电流源代替。建立的仿真电路如图6所示。

输入端施加一个方波信号脉冲。该脉冲信号为“0”码时的电压为-1.8 V，“1”码时的电压为-0.8 V。Vbb的取值则在电信号脉冲电平之间，以达到开关电路的效果。

图6 LD驱动电路仿真电路图Fig.6 Simulation diagram of LD driving circuit

由仿真电路图6可以看出当电脉冲信号为“0”码（即-1.8 V）时，三极管VQ1基极的电压-1.8 V低于VQ2的基极电压-1.3 V，于是VQ1截止，VQ2导通，由探测笔显示的电压可看出流过LD激光器的电流是90 mA，超过了LD的阈值电流，于是LD半导体激光器发出激光脉冲。反之，当电脉冲信号为“1”码（即-0.8 V）时，三极管VQ1基极的电压-0.8 V高于VQ2的基极电压-1.3 V，于是VQ1导通，VQ2截止，调制电流经VQ1流向地。流过LD半导体激光器的电流只有偏置电流低于阈值电流，因而LD不发出激光脉冲。

2.2 自动功率控制（APC）电路

分析APC电路原理图得知，直流参考是通过调节R1控制预偏置电流Vb。而调节R2就可以使得Ib保持恒定。因而在分析自动功率控制电路的时，采用分别分析方法（即分别建立仿真模型进行分析）。

当考虑只有直流参考时，所建立的仿真电路如图7所示。为使得最后VQ1输出的集电极电流为80 mA，电阻R1、R2、R3的取值计算过程如下：运算放大器的输出电压UO=（1+R3/R2）Ui。利用三极管VQ1的集电极电流可以计算出VQ1的基极电流和基极电压，进而得出运算放大器的输出电压UO的大小。于是可以确定出R3/R2=3。

图7 只有直流参考时的APC电路的仿真电路图Fig.7 Simulation diagram of APC circuit only considered the direct current

当考虑只有再生信号的时候，所建立的仿真电路如图8所示。其中输入的再生信号偏置电流Ib的变化范围为5～10mA，在仿真中假想的是Ib变化值为8 mA，同样可以通过Ib的变化值计算出VQ1的基极电压和基极电流。进而确定运算放大器的输出电压Uo。又由于信号是施加在运放的反向输入端得出

图8 只有再生信号时的APC电路的仿真电路图Fig.8 Simulation circuit diagram of APC circuit diagram only considered the regeneration signal.

2.3 自动温度控制（ATC）电路仿真与参数计算

由于Multisim 9中没有热敏电阻和致冷器，仿真中分别采用1个滑动变阻器和1个电阻来代替，所建立的ATC仿真电路图如图9所示。

图9 ATC电路的仿真电路图Fig.9 Simulation diagram of ATC circuit

图9中采用20 kΩ的滑动变阻器。由于致冷器的致冷电流大，电压低，电流将近1 A，内阻为1 Ω左右。由于在正常情况下Rt取值为10 kΩ，此时感温电桥处于平衡状态。流入V1差分放大器的差分输入电压为0 V，因而，V1差分放大器的输出电压也为0。这就无法驱动VQ1，使其导通，致冷器不起任何作用。所以图9中所给出的是当LD的温度升高之后的仿真现象。当LD温度发生变化时，Rt的阻值就会随着LD的变化而变化。于是感温电桥的平衡状态被打破，V1放大器反相输入端的电压低于正相输入端。图9中经探测笔所测出V1差分放大器输出端的电压为2.5 V，于是使得三极管VQ1导通，流过致冷器的电流为1.01 A满足条件，致冷器开始工作。在致冷器的作用下，使得LD半导体激光器的温度下降到正常水平，达到保护LD的作用。

2.4 慢启动与限流保护电路

由于慢启动和限流保护电路是相当于APC电路的后续部分，因而原理图中的运算放大器就直接用电源和电阻等效仿真。其中关键的器件是VQ1，由于VQ1要通过R2电阻上的压降来进行导通，所以R2的取值相当重要。在图10中R1用滑动变阻器动态获得VQ1所需的基极驱动电压。最终采用的是当R1的阻值取10 kΩ时所得的基极电压-3.18 V来驱动VQ1，使其导通。在图11中所得到的R1VQ1基极电压为-3.32 V。由图13中所示VQ1集电极的电流为94.4 mA，超过阈值电流，有些偏大。VQ1导通后，R2通过流经的发射极电流获得小于1 V的压降。VQ2则通过R2上的压降使其导通，从而使得流过R1的电流分别流向VQ1和VQ2两部分，实现分流。这就使得VQ2集电极的电流为81.9 mA，达到降低LD偏置电流Ib的目的，从而避免激光器由于偏置电流过大而降低其使用寿命。VQ2的VBE电压值为0.617 V，流过R2的偏置电流为80 mA，于是可以计算出R2的阻值为7.5 Ω。

图10 无VQ1时的慢启动和限流保护仿真图Fig.10 Laser slow starter and current limiting protection simulation diagram withoutVQ1

图11 有VQ1时的慢启动和限流保护仿真图Fig.11 Laser slow starter and current limiting protection simulation diagram withVQ1

3 结束语

通过在Multisim 9中分别对LD驱动电路、APC电路、ATC电路及慢启动与限流保护电路进行仿真，获得了光发射机各组成电路中的关键元器件参数。各组成电路中关键元器件的具体参数如下：1）LD驱动电路中的关键元器件为：LD半导体激光器，其阈值电流为80 mA;2）APC电路中的关键元器件为：R1和R2，R1和R2的取值分别为3 kΩ和4 kΩ左右;3）ATC电路中的关键元器件为：热敏电阻Rt及致冷器Rc，其中热敏电阻在25℃时的取值为10 kΩ，致冷器Rc的取值为1 Ω;4）慢启动与限流保护电路中的关键元器件为：三极管VQ1和R2，其中R2的取值为7.5 Ω。

本文研究了光发射机电路中的射频耦合驱动、自动功率控制、自动温度控制以及慢启动与限流保护等模块电路，给出了各电路中关键元器件的实验数据参数资料，为实际光发射机电路设计提供指导和参考优化值。

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